7.6. Высокочастотные вибровозбудители

Высокочастотные вибропреобразователи работают в диа­пазоне ультразвуковых колебаний от 20 тыс. до 20 млн Гц. В связи с этим они получили название ультразвуковых излучателей. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля другие виды энер­гии, чаще всего электрическую или механическую. Наиболее широко применяются электроакустические преобразователи. В этих устройствах электрические колебания преобразуются в механические какого-либо твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Находят применение следующие основные типы преобразовате­лей электрических колебаний в механические: пьезоэлектрические, магнитострикционные и электродинамические.

Пьезоэлектрические преобразователи основаны на использовании пьезоэлектрического эффекта.

В настоящее время созданы искусственные материалы. У материалов с пьезоэлектрическими свойствами пьезоэффект создается: искусственно в результате специальной обработки электрическим полем. Наиболее сильно пьезоэффект проявляется у пьезокерамики.

Пьезоэлектрический преобразователь в зависимости от его назначения составляется из различных групп электрически и механически связанных пьезоэлементов. Для решения конкретных технологических задач пьезоэлектрические преобразователи конструктивно соединяются с механическими накладками, пластинами, мембранами, концентраторами и т. д.

Пьезовибраторы настраиваются на резонанс их механической системы. Поскольку механическая часть вибратора представляет собой систему с распределенными параметрами, то она имеет бесконечную дискретную последовательность собственных частот. Резонанс в такой колебательной системе возникает при совпадении возмущающей силы с одной из собственных частот. Резонанс в такой колебательной системе возникает при совпадении возмущающей силы с одной из собственных частот.

Резонансные режимы работы позволяют создавать максимальные по амплитуде размахи колебаний. Возбуждение колебаний на различных моделях позволяет синтезировать разнообразные режимы работы виброустановок с высокочастотными возбудителями.

В зависимости от диапазона частот, условий работы и назначения применяют пьезоэлектрические преобразователи различных типов (рис. 84).

Рис.84. Принципиальные схемы пьезокерамических преобразователей: а – пластинчатый; б – дисковый; в – кольцевой; г – сферический

В диапазоне очень низких частот применяют пьезопреобразователи в виде биморфных пластин, совершающих поперечные изгибные или крутильные колебания. Свойства таких преобразователей существенно зависят от условий закрепления пластин. В области низких частот, ультразвукового диапазона используются составные пьезопреобразователи в виде стержней с пассивными накладками. При более высоких частотах применяют стержни, совершающие продольные колебания. Для высоких частот используются пьезопреобразователи в виде пластин и оболочек, совершающих колебания по толщине. Находят также применение преобразователи в виде полых пьезокерамических сфер, поляризованных по толщине. В них возбуждаются радиальные колебания обычно в дорезонансной области.

Эффективность работы высокочастотного вибратора в значительной степени зависит от дополнительных устройств, выполняющих роль согласования характеристик вибропреобразователя с конкретной нагрузкой. Во многих технологических установках роль согласователя вибратора с нагрузкой выполняют механические трансформаторы скорости. Для увеличения амплитуды колебаний вибрационных инструментов используются концентраторы в виде стержней переменного сечения. Для обработки в жидких средах используют излучающие диафрагмы.

Высокочастотные преобразователи колебаний в ряде случаев не обеспечивают необходимых деформаций обрабатываемой среды и плотности энергии в зоне обработки. Это связано с тем, что амплитуды смещений собственно преобразователей незначительны и ограничена излучаемая с единицы поверхности мощность.

Интенсивность излучаемой мощности и амплитуды смещений могут быть значительно повышены с помощью специальных устройств, получивших название концентраторов. Применяется два типа концентраторов – стержневые и фокусирующие.

Стержневые концентраторы используют на установках, работающих в области низких частот ультразвукового диапазона колебаний. Фокусирующие концентраторы эффективны при значительных длинах волны, так как при отражении теряется значи­тельная доля энергии волны. Их используют в высокочастотных режимах ультразвукового диапазона.

Низкочастотный концентратор представляет собой твердый стержень переменного сечения или переменной плотности. Принцип действия стержневого концентратора основан на законе сохранения количества движения. Количество движения пропорционально величине движущейся массы и ее скорости. Применительно к условиям прохождения упругой волны по стержню количество движения для каждого сечения стержня определяется его площадью, плотностью материала в рассматриваемом сечении и амплитудным значением скорости упругой волны.

Устройства, служащие для передачи волн, получили названия волноводов. Концентратор также является волноводом переменного сечения, по которому распространяется волна, характеризующаяся постоянной амплитудой по сечению. Такие волны называются колебаниями нулевой моды. Чтобы обеспечить распространение по концентратору волн только нулевой моды, нужно, чтобы максимальный размер его широкого конца был меньше половины длины волны в материале концентратора. Значит, чтобы обеспечить достаточные прочностные размеры концентрато­ра, следует работать с достаточно длинными волнами. Следовательно, волновые концентраторы могут использоваться в ограниченном частотном диапазоне - от 20 тыс. до 100 тыс. Гц.

Для обеспечения эффективной передачи энергии концентраторы работают на одной из резонансных частот. Настройка концентратора на резонансную частоту колебаний достигается тем, что длина его принимается кратной половине длины волны.

Концентраторы могут выполняться самой разнообразной формы. В поперечном сечении они могут быть круглыми, прямоугольными, сплошными и пустотелыми, в продольном - ступенчатыми, коническими, экспоненциальными и ампульными (напоминать по форме медицинскую ампулу). Основной характеристикой концентратора является коэффициент усиления, который определяется как отношение смещений на его выходном и входном концах. В основном он определяется соотношением размеров входного и выходного концов. Однако в концентраторах различных типов изменение скорости волны по их длине происходит по-разному. Наибольшее усиление достигается в ступенчатых концентраторах.

Фокусирующий концентратор основан на других принципах. Он служит для повышения интенсивности ультразвука в ограниченной об­ласти газовой или жидкой среды по сравнению с интенсивностью у поверхности излучателя. В концентраторе этого типа происходит фокусирование волн, которое осуществляется с помощью акустических рефлекторов и линз. Фокусирующие концентраторы применяются на достаточно высоких частотах, так как при этом невелико поглощение волн. Обычно фокусировка осуществляется самим преобразователем колебаний. Для этого его излучающая поверхность выполняется сферической или цилиндрической формы. При сферической форме излучателя можно создавать более высокие плотности энергии. Излучатели цилиндрической формы создают меньшую концентрацию энергии, но имеют большую фокальную область.

Фокусирующие концентраторы изготовляются в виде цельных элементов из пьезокерамики и представляют собой часть сферической или цилиндрической поверхности. Применяются фокусирующие концентраторы преимущественно для обработки жидких или твердожидких дисперсных систем, т. е. там, где есть среда, достаточно хорошо передающая ультразвуковые колебания. Высокочастотные вибраторы могут быть созданы на основе эффекта магнитострикции. Магнитострикция проявляется в том, что стержень из ферромагнитного материала, помещенный в направленное вдоль него магнитное поле, деформируется. При этом стержни из различных материалов могут удлиняться или укорачиваться. Это свойство ферромагнетиков используется для преобразования энергии магнитного поля в энергию деформации.

Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из ферромагнитного материала с обмоткой. Энергия переменного магнитного поля, создаваемого в сердечнике, протекающая по обмотке с переменным электрическим током, преобразуется в энергию механических колебаний сердечника. Ферромагнитный стержень деформируется при любой направленности магнитного поля. Поэтому при возбуждении его переменным магнитным полем стержень будет колебаться с удвоенной частотой. Для того чтобы привести частоту механических колебаний в соответствие с частотой питающего тока, в преобразователе создается дополнительно постоянная составляющая магнитного поля. Постоянную составляющую магнитного поля подбирают таким образом, чтобы она была несколько больше амплитуды переменной составляющей магнитного поля. Суммируясь, переменная и постоянная составляющие созда­ют пульсирующее магнитное поле, частота которого вдвое ниже частоты переменной составляющей. Преобразователь, работающий с подмагничиванием, называется поляризованным.

Постоянное подмагничивание создается постоянным током, протекающим по обмотке, либо с помощью постоянных магнитов, вставлен­ных в магнитопровод сердечника.

Магнитострикционные преобразователи работают в частотном диапазоне от нескольких сотен до десятков тысяч герц. Как пьезопреобразователи, они настраиваются обычно в резонанс. Выполняются магнитострикционные преобразователи стержневого и кольцевого типов. Сердечники стержневых преобразователей (рис.85)состоят из нескольких стержней, соединенных накладками для преобразования замкнутого магнитопровода 1. Обмотка 2 стержней производится таким образом, что­бы на соседних стержнях направление поля было противоположным. Для поляризации поля между сердечниками вклеивают постоянные магниты.

Рис. 85. Принципиальная схема магнитострикционного вибропреобразователя

Магнитострикционные преобразователи способны создавать колеба­ния большей амплитуды. Они отличаются более высоким сроком служ­бы и большей прочностью, чем пьезоэлектрические. Поэтому их чаще применяют в мощных крупных установках.

Кроме пьезо- и магнитострикционных преобразователей в промыш­ленности применяются аэро- и гидродинамические излучатели.

Аэродинамические и гидродинамические излучатели создают излу­чение большой мощности и способны обрабатывать значительные объе­мы продукта.

Аэродинамические излучатели предназначены для работы в газовых средах, в которых нельзя использовать излучатели с твердыми колеблю­щимися поверхностями. Поскольку волновое сопротивление газовых сред не обеспечивает передачи энергии колебаний твердых излучателей, то находят применение акустические излучатели газоструйные и дина­мические, основанные на прерывании струи.

Рис. 86. Газоструйный излучатель

В промышленности используются газоструйные излучатели высоко­го давления, которые позволяют создавать акустические мощности в несколько сотен ватт. Работа газоструйного излучателя основана на создании автоколебаний сверхзвуковой струи при ее торможении резо­натором. Газоструйный излучатель состоит из конического сопла 1 и установленного перед ним соосно цилиндрического резонатора 2 (рис. 86).

При сверхкритическом пере­паде давлений в сопле и в окружающей атмосфере выходящая из сопла струя 3 движется со сверхзвуковой скоростью и при­обретает ячеистую структуру. Это значит, что статическое давление по длине струи в отсутствие резонатора пульси­рует. По выходе из сопла давление падает и затем на некотором рас­стоянии вновь повышается до прежнего уровня. Расстояние между сре­зом сопла и первым максимумом давления определяет длину первой ячейки. Резонатор устанавливается в конце первой ячейки. При тормо­жении струи резонатором перед ним возникает отсоединенный скачок уплотнения. Кинетическая энергия струи в резонаторе переходит в по­тенциальную энергию сжатого газа. Поскольку резонатор находится в конце первой ячейки, где статическое давление газа повышается, то процесс выхода газа из резонатора становится периодическим. Взаимо­действие основной струи и струи, вытекающей из резонатора, создает мощные колебания газа на участке между дном резонатора и скачком уплотнения.

Газоструйные излучатели обычно устанавливают в рефлекторе для создания направленного излучения. Параболический рефлектор создает плоскую волну, эллиптический — сходящуюся в фокусе. Газоструйные излучатели применяются в акустических газовых и мазутных горелках для ускорения тепломассообменных процессов диспергирования и в ряде других технологий.

Применяются мембранные газоструйные излучатели, которые рабо­тают по принципу возбуждения колебаний мембраны газовым потоком. Излучатель состоит из цилиндрического сопла 3 с фланцем, к которому прижата эластичная мембрана 4 (рис.87).

Рис. 87. Мембранный газоструйный излучатель

Под напором струи мембра­на деформируется, отходит от фланца. При этом газ выходит в атмосфе­ру и давление под мембраной падает. Под действием сил упругости диафрагма возвращается в исходное положение. Мембранные газоструйные излучатели работают в автоколебательном режиме.

В динамических излучателях создаются мощные акустические коле­бания вследствие периодического прерывания струй, вытекающих с большой скоростью через отверстия. Прерывание струй производится вращающимся ротором с отверстиями или зубцами. Ротор может при­водиться во вращение от того же источника энергии, от которого рабо­тает излучатель сжатого воздуха, или электродвигателем. Для прерыва­ния струи могут также использоваться различные золотниковые уст­ройства с возвратно-поступательными движениями. Динамические газо­струйные агрегаты выполняются обычно в виде одного агрегата с рупо­ром.

Используются динамические излучатели осевого и радиального ти­пов. В осевых излучателях ротор 5 и статор 6 выполнены в виде дисков с отверстиями. Газовый поток подается вдоль оси вращения ротора (рис. 88).

Рис. 88. Динамический излучатель осевого типа

В излучателях радиального типа ротор 7 и статор 8 выпол­няются в виде коаксиальных цилиндров или конусов, на боковых по­верхностях которых имеются отверстия для выхода газовой струи (рис. 89).

Рис. 89. Динамический излучатель радиального типа

Струя газа подается перпендикулярно оси вращения ро­тора. Частота пульсаций струи, создаваемых в динамических излучате­лях, определяется скоростью вращения и числом отверстий в роторе. В динамических излучателях колебания возбуждаются импульсами газа, вытекающего из отверстий. Характер создаваемых колебаний опре­деляется формой этих импульсов. Гармонические колебания возбуж­даются при использовании круглых отверстий, расстояние между кото­рыми равно их диаметру. Отверстия прямоугольной формы создают колебания не только основной частоты. Широкий спектр частот можно получить, сделав на роторе отверстия разного размера и расположив их неравномерно.

Динамические газоструйные излучатели могут излучать значитель­ную акустическую мощность — до десятков киловатт.

Для осуществления вибрационных технологических процессов в жидких и твердожидких дисперсных системах используются гидродина­мические излучатели.

В гидродинамических излучателях происходит преобразование энер­гии турбулентной затопленной струи жидкости в энергию акустических волн. Преобразование энергии турбулентного потока в энергию колеба­ний осуществляется при взаимодействии вытекающей из сопла струи с упругой колебательной системой, находящейся в жидкости. При набе­гании струи на колебательную систему в ней возбуждаются автоколеба­ния, которые передаются обрабатываемой жидкой среде. Под действием этих колебаний в жидкости генерируются переменные поля скоростей и давлений.

Гидродинамический излучатель состоит из щелевого сопла 9, погру­женного в жидкость, и установленной напротив него заостренной ребром-пластинкой 10 (рис. 90)

Рис. 90. Гидродинамический излучатель с щелевым соплом

Пластинка может крепиться в узлах колебаний или консольно. При набегании на пластинку струи она совер­шает изгибные автоколебания. Для обеспечения достаточно интенсивных колебаний пластинка должна быть настроена на резонансный режим ра­боты. Акустические колебания излучаются перпендикулярно плоскости пластинки. Сопло может быть и кольцевым 11 (рис. 91).

Рис. 91. Гидродинамический излучатель кольцевого типа

При этом резонансная колебательная система выполняется из системы консоль­ных балочек 12, установленных против кольцевого сопла.

Акустические волны генерируются за счет пульсации кавитационной области, образуемой между соплом и специальным отражателем, установленным на упругой резонансной системе. Упругая система может быть выполнена в виде стержней, соединяющих сопло с отражателем. Рабочая поверхность отражателя может быть выпуклой, плоской или вогнутой. Лучше всего образование навигационной области происходит при вогнутой поверхности отражателя. Колебания в жидкости возбуж­даются под действием периодических выбросов содержимого кавитационной области, образующейся в зоне между соплом и отражателем. Пульсации кавитационной области создают периодические поля скоро­стей и давлений, которые возбуждают колебания отражателя на стерж­нях.

Колебания жидкости можно возбудить с помощью сопла, для чего устанавливают напротив него на некотором расстоянии мембраны. Меж­ду соплом и мембраной образуется кольцевая щель. При протекании по ней жидкости происходит падение давления вследствие преобразова­ния статического напора в динамический. Вследствие этого давлением окружающей жидкости мембрана прижимается к соплу. Поток жидко­сти прерывается, давление по обеим сторонам выравнивается, и мембра­на возвращается в исходное положение.

Используются также излучатели с принудительным прерыванием по­тока. Устройство их аналогично газодинамическим излучателям.